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In order to realize the convergence of the optical infrastructure of fixed and mobile access networks, the objective of this thesis is to study the solutions for distributing native radio carriers through typical optical access networks.The first Part describes the contexts and the main physical properties of the optical and radio access networks: from nowadays deployed Fiber To The Home (FTTH) systems, and their expected evolutions, to the current radio system Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) towards the expected requirements of modern mobile radio systems. This allows to settle the optical environment in which the Radio over Fiber(RoF)-functionalities will have to be integrated, and to know on which radio systems'figures of merits to focus on when implementing it. The second Part shows the benefit and possibilities of re-using the optical infrastructure of the fixed access networks for distributed radio systems. Then a review of the analog and digital RoF techniques is proposed, and their feasibility of integration into legacy FTTH systems is discussed. The third part deals with the computing and simulations of an analog RoF-system where the optical link is either passive or optically pre-amplified, and even boosted. The goal is to provide numerical results to the practical lab. results of the second half of the fourth part where the Signal to Noise Ratio (SNR) matters. Therefore successively formal expressions, numerical results for simple 2-tone signals and more realistic UMTS signals are considered. The fourth and last part deals with the obtained practical results. These can be split into two main categories : Error Vector Magnitude (EVM)-oriented results where an Avalanche Photo-Detector (APD) is used for legacy and extended-reach PON architectures using a direction shared Semiconductor Optical Amplifier (SOA) ; and an Adjacent/Alternate Channel power Leakage Ratio (ACLR)-driven part where the focus is seton a very critical figure of merit of radio systems, especially in the downlink. The latter part turned out to be mandatory and prevailing over the initially considered EVM concerns. Hence several RoF architectures, compatible with PONs, are introduced in order to overcome the non-linearities undergone by the RoF-signals, induced by the chromatic dispersion of the PON's fiber and the laser chirp, and degrading the ACLR performances

Afin de réaliser la convergence de l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes et mobiles, l'objectif de cette thèse est d'étudier les solutions pour la distribution de porteuses radio natives à travers des réseaux d'accès optiques typiques. La première partie décrit les contextes et les principales propriétés physiques des réseaux d'accès optiques et radio : depuis les systèmes Fiber To The Home (FTTH) actuellement déployés et leurs évolutions attendues, en passant par l'actuel système radio Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) jusqu'aux exigences des futurs systèmes modernes de téléphonie mobile. Ceci permet de fixer le cadre de l'environnement optique dans lequel les fonctionnalités Radio over Fiber (RoF) devront être intégrées, et d'anticiper les figures de mérite, se rapportant aux systèmes radios, auxquelles une attention particulière devra être protée durant la mise en oeuvre. La seconde partie montre l'intérêt et les possibilités de réutiliser l'infrastructure optique des réseaux d'accès fixes pour les systèmes de radio distribuée. Ensuite est proposé un inventaire des techniques RoF analogiques et numériques, ainsi qu'une discussion quant à leur intégrabilité dans des systèmes FTTH courants. La troisième partie traite du calcul formel et de simulations d'un système de transmission RoF analogique, où la liaison optique est soit passive ou optiquement pré-amplifiée, et voire amplifiée à l'émission. L'objectif est de fournir des résultats numériques en complément aux résultats pratiques (seconde moitié de la quatrième partie) pour lesquels le rapport signal à bruit est le souci majeur. Pour cela nous utilisons successivement des expressions formelles, et des résultats numériques obtenus pour des signaux sinusoïdaux et pour des signaux UMTS plus réalistes. La quatrième et dernière partie concerne les résultats expérimentaux : d'une part ceux concernant les architectures à base de récepteur APD et à portée étendue grâce à un SOA exploité de manière bidirectionnelle, et ayant pour figure de mérite principale l'EVM ; d'autre part les résultats ayant pour figure de mérite l'ACLR, qui pour les systèmes radio dans le sens descendant, est un paramètre critique, et s'avérant être plus important que l'EVM. C'est pourquoi sont présentées des architectures RoF compatibles avec les budgets PON, permettant de surmonter les non-linéarités d'ordre 3 induites par la dispersion chromatique et le chirp du laser, qui dégradent les performances de ACLR / In order to realize the convergence of the optical infrastructure of fixed and mobile access networks, the objective of this thesis is to study the solutions for distributing native radio carriers through typical optical access networks.The first Part describes the contexts and the main physical properties of the optical and radio access networks: from nowadays deployed Fiber To The Home (FTTH) systems, and their expected evolutions, to the current radio system Universal Mobile Telecommunications System (UMTS) towards the expected requirements of modern mobile radio systems. This allows to settle the optical environment in which the Radio over Fiber(RoF)-functionalities will have to be integrated, and to know on which radio systems'figures of merits to focus on when implementing it. The second Part shows the benefit and possibilities of re-using the optical infrastructure of the fixed access networks for distributed radio systems. Then a review of the analog and digital RoF techniques is proposed, and their feasibility of integration into legacy FTTH systems is discussed. The third part deals with the computing and simulations of an analog RoF-system where the optical link is either passive or optically pre-amplified, and even boosted. The goal is to provide numerical results to the practical lab. results of the second half of the fourth part where the Signal to Noise Ratio (SNR) matters. Therefore successively formal expressions, numerical results for simple 2-tone signals and more realistic UMTS signals are considered. The fourth and last part deals with the obtained practical results. These can be split into two main categories : Error Vector Magnitude (EVM)-oriented results where an Avalanche Photo-Detector (APD) is used for legacy and extended-reach PON architectures using a direction shared Semiconductor Optical Amplifier (SOA) ; and an Adjacent/Alternate Channel power Leakage Ratio (ACLR)-driven part where the focus is seton a very critical figure of merit of radio systems, especially in the downlink. The latter part turned out to be mandatory and prevailing over the initially considered EVM concerns. Hence several RoF architectures, compatible with PONs, are introduced in order to overcome the non-linearities undergone by the RoF-signals, induced by the chromatic dispersion of the PON's fiber and the laser chirp, and degrading the ACLR performances

La complexité des systèmes de télécommunications par fibre optique évolue rapidement de façon à offrir plus de bande passante. Comme ce fut le cas pour l’industrie de la microélectronique, l’intégration de composants photoniques avancés est requise pour la production de composants de haute qualité aux fonctions multiples. C’est dans ce contexte, que s’inscrit ce travail qui consiste à contrôler la longueur d’onde d’émission des nanostructures InAs fabriquées dans deux types matrice InP. En effet, le premier volet de ce travail consiste à étudier les îlots quantiques InAs dans une matrice d’InP massif et sera dédié principalement à l’investigation de l’impact de l’interdiffusion sélective sur les propriétés optiques de bâtonnets quantiques (BaQs) élaborées par l’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Un prototype d’une source modulable en longueur a été achevé à base de ces hétérostructures. Un modèles théorique qui traite de l’activation et du transfert thermique des porteurs à travers les BaQs de différentes tailles, créés par l’implantation ionique contrôlée a été développé. Les acquits obtenues dans le premier thème nous ont permis d’aborder une deuxième thématique très concurrentielle liée à l’étude des structures à Nanofils (NFs) InP et des hétérostructures à nanofils InAs/InP allant des structures 1D cœur/coquilles aux structures contenant une BQ InAs par nanofil InP par EJM en mode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) sur substrat silicium. Nous avons révélé par différentes techniques spectroscopiques (PL, excitation de PL, microPL, PLRT) des propriétés optiques très spécifiques et particulièrement intéressantes : fort rapport surface/volume impactant sur les durées de vie des porteurs photocrés, présence de différentes phases cristallines (Wurtzite et Zinc-blende) au sein d’un même nanofil en fonction des conditions de croissance. Nous avons pu réaliser des couches actives des émetteurs à base de NFs dans lesquels nous avons privilégié la formation de segments d’InAs assimilables à des boîtes quantiques avec une forte localisation spatiale des porteurs et un très fort maintient de la luminescence en fonction de la température. Les mesures de PL montrent que les segments d’InAs émettent dans la gamme 1.3-1.55 µm ce qui montre le potentiel d’applications de ce type de nanofils dans une technologie des télécommunications par fibres optiques. / La complexité des systèmes de télécommunications par fibre optique évolue rapidement de façon à offrir plus de bande passante. Comme ce fut le cas pour l’industrie de la microélectronique, l’intégration de composants photoniques avancés est requise pour la production de composants de haute qualité aux fonctions multiples. C’est dans ce contexte, que s’inscrit ce travail qui consiste à contrôler la longueur d’onde d’émission des nanostructures InAs fabriquées dans deux types matrice InP. En effet, le premier volet de ce travail consiste à étudier les îlots quantiques InAs dans une matrice d’InP massif et sera dédié principalement à l’investigation de l’impact de l’interdiffusion sélective sur les propriétés optiques de bâtonnets quantiques (BaQs) élaborées par l’épitaxie par jets moléculaires (EJM). Un prototype d’une source modulable en longueur a été achevé à base de ces hétérostructures. Un modèles théorique qui traite de l’activation et du transfert thermique des porteurs à travers les BaQs de différentes tailles, créés par l’implantation ionique contrôlée a été développé. Les acquits obtenues dans le premier thème nous ont permis d’aborder une deuxième thématique très concurrentielle liée à l’étude des structures à Nanofils (NFs) InP et des hétérostructures à nanofils InAs/InP allant des structures 1D cœur/coquilles aux structures contenant une BQ InAs par nanofil InP par EJM en mode VLS (Vapeur-Liquide-Solide) sur substrat silicium. Nous avons révélé par différentes techniques spectroscopiques (PL, excitation de PL, microPL, PLRT) des propriétés optiques très spécifiques et particulièrement intéressantes : fort rapport surface/volume impactant sur les durées de vie des porteurs photocrés, présence de différentes phases cristallines (Wurtzite et Zinc-blende) au sein d’un même nanofil en fonction des conditions de croissance. Nous avons pu réaliser des couches actives des émetteurs à base de NFs dans lesquels nous avons privilégié la formation de segments d’InAs assimilables à des boîtes quantiques avec une forte localisation spatiale des porteurs et un très fort maintient de la luminescence en fonction de la température. Les mesures de PL montrent que les segments d’InAs émettent dans la gamme 1.3-1.55 µm ce qui montre le potentiel d’applications de ce type de nanofils dans une technologie des télécommunications par fibres optiques.

La théorie, la conception, l'optimisation et la caractérisation d'amplificateurs distribués en technologie TBDH InP 0,7 µm, pour les systèmes de communications optiques à 100 Gbit/s, sont présentés. Nous montrons comment l'exploitation adaptée du concept d'amplificateur distribué avec une technologie de transistors bipolaires à produit vitesse-amplitude élevé a permis la réalisation d'un driver de modulateur électro-optique fournissant une amplitude différentielle d'attaque de 6,2 et 5,9 Vpp, à 100 et 112 Gbit/s, respectivement, avec une qualité de signal élevée. Ce circuit établit ainsi le record de produit vitesse-amplitude à 660 Gbit/s.V sur tranche et 575 Gbit/s.V en module hyperfréquence. Dans le cadre du projet Européen POLYSYS, il a été associé à un laser accordable et un modulateur pour la réalisation d'un module transmetteur optoélectronique compact, démontrant des performances avançant l'état de l'art des communications optiques courtes distances à 100 Gbit/s. / The theory, design, optimisation and characterisation of distributed amplifiers in 0.7-µm InP DHBT technology, for 100-Gbit/s optical communication systems, are presented. We show how the appropriate implementation of the distributed amplifier concept in a bipolar transistors technology with high swing-speed product has enabled the realisation of an electro-optic modulator driver with 6.2- and 5.9-Vpp differential driving amplitude at 100 and 112 Gb/s, respectively, with a high signal quality. This circuit thus establishes the swing-speed product record at 660 Gb/s.V on wafer and at 575 Gb/s.V in a microwave module. In the frame of the European project POLYSYS, it has been co-packaged with a tunable laser and a modulator to realise a compact optoelectronic transmitter module, which has demonstrated performances advancing the state of the art of short reach 100-Gb/s optical communications.

Ce travail de thèse présente une étude sur les propriétés de nanostructures de type bâtonnets quantiques et de leur application pour les télécommunications optiques. Durant la dernière décennie, ces nanostructures, ont démontré des propriétés optiques et électroniques intéressantes en raison notamment d’un fort confinement quantique dans les trois dimensions d'espace. Cette thèse porte sur la conception et la fabrication d'émetteurs optiques intégrés à base de ce matériau et de leur implémentation dans des systèmes de communication. La première partie de ce travail analyse les propriétés de ces nanostructures, théorique et expérimentale. Elles sont utilisées comme matériau actif de lasers modulés directement en amplitude. Les propriétés dynamiques de ces lasers sont ensuite évaluées et des transmissions sur fibre optique entre 0 et 100 km sont ensuite démontrées en utilisant un filtre étalon permettant d’augmenter en particulier le taux d’extinction dynamique. En s’appuyant sur cette démonstration basée sur des éléments discrets, une version monolithique intégrant un laser et un résonateur en anneaux a été réalisée. La dernière partie de ce travail porte sur des lasers à blocage de mode à base de ce matériau et en particulier sur les méthodes d’intégration sur substrat InP. En particulier, un design de miroir de Bragg innovant a été développé à cet effet et une démonstration d'un laser a blocage de mode intégré avec un amplificateur optique à semi-conducteur a finalement été réalisée / This PhD dissertation presents a study on the properties of the novel quantum dash nanostructures and their properties for application in optical telecommunications. Over the last decade, scientific community has gained considerable interest over these nanostructures and several demonstrations have been made on their interesting optical and electronic properties, notably owing to their strong quantum confinement. This dissertation focuses on conception, fabrication and system demonstration of integrated optical transmitters based on quantum dash material. A first part of this work analyses the properties of qdashes theoretically and experimentally for their use as an active material in directly modulated lasers. The dynamic properties of this material are then evaluated leading to an optical transmission distances in range of 0-100km under direct modulation. The transmission is particularly studied with a passive optical filter to enhance the dynamic extinction ratio, the use of such passive filters is studied in detail. An innovative and fully integrated optical transmitter is finally demonstrated by integrating a ring-resonator filter to a distributed feedback laser. The second part of this work focuses on mode locked lasers based on this material and in particular the methods of integration of such devices on InP are explored. Thus an innovative Bragg mirror design is developed leading to a mode locked laser integrated with a semiconductor optical amplifier